Le 7 caratteristiche della saldatura laser che devi conoscere

saldatura-laser

Se ti occupi di saldatura laser o se inizi ad avvicinarti a questa tecnologia, devi conoscere almeno queste sette caratteristiche del laser.

  1. La lunghezza d’onda
  2. La potenza ottica
  3. La focalizzazione
  4. La qualità del fascio laser
  5. L’assorbimento e la riflessione
  6. Il trasporto del fascio laser
  7. La profondità di penetrazione della saldatura

Abbiamo già visto come si genera il fascio laser:

  • un mezzo laserante, i cui elettroni saltano su e giù assorbendo ed emettendo fotoni (l’equivalente della barra di rubino del signor Maiman);
  • un sistema di pompaggio: la sorgente di energia che serve a eccitare gli atomi del mezzo laserante;
  • una cavità risonante: i due specchi contrapposti, di cui uno semi-trasparente, da cui esce il fascio.

Prima di passare alle applicazioni della saldatura laser, penso sia interessante fare una panoramica su alcuni parametri e caratteristiche dei laser.

-1- La lunghezza d’onda

A seconda della tipologia di sorgente, il laser viene emesso con una particolare frequenza.
La frequenza (f) è la velocità con cui oscilla il campo elettromagnetico della luce emessa dalla sorgente.
La lunghezza d’onda (λ) è il reciproco della frequenza per la velocità della luce: λ=c/f.


Se la frequenza è alta, significa che il salto energetico nell’atomo della sorgente è stato alto.
Quindi, frequenza alta uguale lunghezza d’onda corta, uguale maggiore energia del fotone.

E = hf

È l’equazione di Planck-Einstein che dice che l’energia (E) è direttamente proporzionale (h) alla frequenza (f).
Cos’è h? È la costante di Planck È una costante fondamentale della fisica, come (costante di gravitazione universale) o c (velocità della luce).

Lo spettro elettromagnetico rappresenta l’insieme delle lunghezze d’onda che i fotoni possono avere.
Lo spettro viene suddiviso nelle seguenti fasce:

  • Onde radio: oltre i 10 cm, fino a 10 km;
  • Microonde: da 1000 μm a 1 m;
  • Infrarossi: da 0,7 μm a 1000 μm;
  • Visibile: da 0,4 μm (violetto) a 0,7 μm (rosso);
  • Ultravioletto: da 10 nm a 0,4 μm;
  • Raggi X: da 1 pm (picometro) e 1 nm;
  • Raggi gamma: inferiori a 1 pm.

I laser industriali hanno lunghezze d’onda intorno 1 μm (300 THz, laser a stato solido) e i 10 μm (30 THz, laser a CO2).

-2- La potenza ottica

È la quantità di energia trasportata dal fascio laser nell’unità di tempo.
Non corrisponde alla potenza della sorgente in quanto c’è di mezzo tutta la catena delle efficienza, che la riducono. Il rapporto fra la potenza richiesta alla presa elettrica e la potenza ottica ottenuta viene chiamata in inglese “wall-plug efficiency”.
La potenza può essere trasmessa in continuo (CW, continuous wave) o in modo pulsato (PW).

A parità di potenza fra CW e PW, il pulsato ha dei picchi di energia molto più alti. Per esempio da un Nd:YAG pulsato da 500W si possono tirare fuori picchi di 10kW. Per cui è tipicamente impiegato per la saldatura a punti.

-3- La focalizzazione

Per essere efficace, il fascio laser deve essere focalizzato. Ovvero passato attraverso una lente che lo faccia convergere in un piccolo spot. La potenza viene così concentrata su una piccola superficie.
Come quando da bambino usavi una lente per bruciare le foglie con i raggi del sole.

Con lenti di geometria particolare è possibile focalizzare il fascio a una certa distanza dalla lenta (lunghezza focale), ottenendo spot di diametro intorno a 0,5 mm.
Se la qualità del fascio lo permette, lunghezze focali estese vengono utilizzate per la cosiddetta saldatura remota o saldatura scanner. Infatti, grazie all’uso di lenti adeguate e galvanometri a specchio (galvo) un fascio laser di qualità può essere focalizzato in piccoli spot. Ciò permette velocità di saldatura molto elevate, mantenendo la testa laser e pezzo fermi, si muove solo lo specchio.

-4- La qualità del fascio laser

La qualità del fascio laser ci dice quanto il fascio può essere focalizzato dalla lente. Quindi ci informa su quanto piccolo può essere lo spot, a causa della sua divergenza e distorsione.
La qualità viene misurata dal fattore M2.

Tecnicamente è un parametro un po’ complesso, ma basta sapere che la qualità è data dal tipo di sorgente, dalla qualità dei componenti ottici, dalla precisione della costruzione.
Anche effetti termici che si manifestano all’interno dei cristalli causano delle distorsioni al fascio, riducendone la qualità.
Con la potenza ottica determina la radianza del fascio laser (la brillantezza).
I valor di M2 vanno da 1 in su.
Vale 1 ne caso ideale di massima qualità.
Tanto maggiore è M2, tanto peggiore è la qualità del fascio.

Il laser a CO2 ha sempre avuto una qualità superiore rispetto ai laser a stato solido.
Ma negli ultimi anni la tecnologia ha fatto passi avanti, tanto che i laser a stato solido stanno sostituendo quelli a CO2 in molte applicazioni di saldatura laser.

-5- L’assorbimento e la riflessione

Il fascio devo trasferire energia agli atomi del metallo, innalzarne la temperatura e quindi provocare la fusione necessaria per la saldatura laser.
Va considerato il fatto che la superficie dei metalli è essere riflettente e questo complica le cose.

La capacità di un materiale di assorbire la radiazione incidente si chiama assorbanza e dipende da:

  • tipo di materiale che riceve il fascio laser;
  • lunghezza d’onda dei fotoni del fascio;
  • condizione della superficie (grezza, lucidata);
  • temperatura della superficie.

Le grandezze relative a questo fenomeno si chiamano assorbanza, riflettanza e trasmittanza.

Riflesso + Assorbito + Trasmesso = Incidente

I metalli assorbono meglio le lunghezze d’onda intorno al micron (stato solido), mentre i non metalli (tipo polimeri) assorbono meglio le lunghezze di 10 μm (CO2).
Fra i metalli, acciaio e acciaio inox sono quelli che assorbono meglio.
L’alluminio, il rame e l’argento sono i più fiacchi.

Il miglioramento delle tecnologie a stato solido sta mandando in pensione la CO2 nella saldatura laser dei metalli, anche per questo fatto.

-6- Il trasporto del fascio laser

Il fascio laser generato nella sorgente deve essere trasferito al pezzo in lavorazione. Esistono fondamentalmente due modi per trasferire il fascio:

  • Con degli specchi speciali;
  • Oppure usando un cavo in fibra ottica.

Specchi fissi

Il trasferimento con gli specchi funziona proprio come te lo immagini. Specchi speciali sono fissi e inclinato sulla traiettoria del fascio, che viene deviato per riflessione, indirizzato sul pezzo in lavorazione.
Gli specchi possono anche scorrere lungo assi rettilinei (x, y), mantenendone fissa l’inclinazione è possibile muovere lo spot sul pezzo in lavorazione.

Fibra ottica

La fibra ottica invece conduttore estremamente sottile costruito in vetro o plastica. È composto da due parti principali: un filo interno detto core e un rivestimento esterno, sempre in vetro (cladder). Per dare l’idea, il cladder ha il diametro di un capello. Figurati il core!
Il cladder ha un indice di rifrazione inferiore rispetto al core.
La differenza di rifrazione causa la riflessione del fascio di luce incidente all’interfaccia fra core e cladder, quando l’angolo di incidenza è superiore all’angolo critico. Così il fascio viene continuamente rimbalzato all’interno della fibra ottica.


Per cui, quando il fascio entra nella fibra, ne esce dall’altro capo, anche se il conduttore viene flesso.

In questo modo è possibile montare la testa laser su un braccio robot, mentre la sorgente può trovarsi anche molto lontano.

-7- La profondità di penetrazione della saldatura laser

Ora il fascio laser colpisce la superficie e fonde il materiale determinando la saldatura.
In funzione della densità di potenza si possono verificare tre modalità di saldatura.
Come c’è da aspettarsi, più la potenza è concentrata più il buco è profondo.

Questo sotto è un disegno indicativo che mostra la forma dei cordoni di saldatura. È una sezione traversale, quindi immagina che la direzione di avanzamento sia perpendicolare allo schermo, muovendosi verso di te.

La saldatura per conduzione, a basse concentrazioni di potenza (0,5 MW/cm2).
In questo caso il materiale fonde per l’innalzamento della temperatura provocato dalla conduzione del calore dal punto di applicazione del fascio agli strati sottostanti.
Questa saldatura è molto estetica ma poco penetrante, inferiore ai 2 mm.
Per ottenere questo risultato non è necessario avere un fascio laser di alta qualità.

La saldatura in transizione avviene a medie concentrazioni di potenza (1 MW/cm2) con fascio pulsato, quindi è una via di mezzo, una transizione appunto fra conduzione e keyhole.
Ha una profondità di penetrazione circa uguale alla larghezza.

La saldatura keyhole, fornisce la massima penetrazione e si realizza a elevate concentrazioni di potenza (1,5 MW/cm2). Durante la fusione, la temperatura è talmente elevata che il metallo vaporizza, formando il cosiddetto keyhole. In questo stato il metallo è come un condotto per la luce che viene trasferita efficientemente agli strati sottostanti, in un circolo virtuoso. Questo provoca la formazione un profondo cordone.


Più la velocità di avanzamento è bassa, più la forma della sezione trasversale del giunto è cicciotta.
Con elevate potenze si possono raggiungere velocità di saldatura fino a 12 m/min, ottenendo però penetrazioni ridotte. A troppo elevate inizia una degradazione del giunto, dove si ha una forma del cordone particolare detta humping, arcuata.


In un prossimo post credo che (finalmente!) racconterò qualcosa di pratico su questa straordinaria tecnologia e quindi sulle maschere per la saldatura laser. Anche perché ero partito con l’intenzione di parlare delle maschere di saldatura, ma poi mi sono fatto abbagliare…